何！魔法の巻貝は実は「ライブストリーミングの専門家」？

海岸沿いを散歩し、波に運ばれてきた巻貝を拾い、耳に当てて海の音を聞いてみましょう。誰かがあなたに角のような巻貝をくれたら、それはあなたに青い海の一部を与えてくれるようなものです。いつでもどこでも潮風と満潮の音を聞き、「濡れた砂を踏む潮風の潮風の匂いが好き」をいつでもどこでも口ずさみ、「海に面して春の花が咲く」に出かけましょう。考えてみるととてもロマンチックなことですね！

では、巻貝は海の蓄音機なのでしょうか?いつでもどこでもホラ貝を通して聞こえる音は、本当に海の音なのでしょうか？

画像提供：中国科学院音響研究所

真実をテストするための唯一の基準は実践です。

指を合わせて半閉じの凹型に曲げたり、コップや小鉢などの容器を使って耳に近づけて静かに聞くと、「海」の音も聞こえます。これらのコンテナは海からのものではないので、そこから聞こえる音は海の音なのでしょうか?もちろん違います。すると、法螺貝から聞こえる音は当然海の音ではない。

法螺貝から聞こえる音は血が流れる音ですか？

法螺貝から聞こえる音は血が流れる音だと言う人もいます。法螺貝を耳に当てると血が流れる音が増幅されるからです。

もう一つの小さな実験をしてみましょう。同じ音場環境で、同じ人に通常の状態と激しい運動後の巻貝の音を聞かせたところ、2つの音に明らかな違いはありませんでした。激しい運動によって音が鋭くなったり大きくなったりすることはなく、これは法螺貝の音が人体の血液の流れる音ではないことを示しています。

ほら貝の音はどこから来るのでしょうか？

では、ホラ貝やそれに似た小さな容器で聞こえる音はどこから来るのでしょうか?

これを検証するために小さな実験を行うこともできます。さまざまなサイズのカップをいくつか見つけて、ゆっくりと耳に近づけます。カップの口が耳の特定の位置に触れそうになると、「海」に似た音が聞こえます。異なるサイズのカップを使用すると、聞こえる音も少しずつ異なります。

カップが大きいほど、音は深くなります。カップが小さいほど、音がクリアになります。私たちが聞いている音は、カップが周囲のノイズをフィルタリングしている音です。このとき、カップは音響フィルターとみなされ、専門的にはフィルターと呼ばれます。

まとめると、ホラ貝の中の音は海の音ではなく、ホラ貝によってフィルタリングされた音場環境のノイズです。海辺でホラ貝の音を聞くと、フィルターを通した海の音が主に聞こえます。音場が海以外の場合、ホラ貝から聞こえるのは海の音ではありません。

コンチはライブ放送の専門家です

巻貝の海の音は、本来の生態学的記憶から来ているのではなく、現在の音環境のライブ放送です。 Conch のライブ放送は、物理学における一般的な現象である共鳴を利用しています。共鳴とは、2 つの物体が同じ周波数で振動することを指します。一つの物体が振動すると、他の物体も振動します。音響学の分野では共鳴は「共振」と呼ばれ、物体が共鳴して音を出す現象を指します。

ほら貝や小鉢、コップなどは共鳴を起こしやすい物理系です。音の周波数が空洞の固有周波数と一致すると共鳴が起こり、音が増幅されます。この時、耳の横に当てると「海の音」が聞こえます。

俳優の声の周波数がガラスの固有振動数と一致すると、共鳴によりガラスが割れます。 GIFソース: 「さあ、未来へ」

共鳴現象を実証するために使用される音叉。画像提供：中国科学院音響研究所

ヘルムホルツ共鳴器は、1850年にドイツの物理学者で生物学者のヘルマン・フォン・ヘルムホルツによって設計され命名されたもので、巻貝を通して「海」の音を聞く原理に似ています。ヘルムホルツ共鳴器の設計コンセプトは、共鳴の原理を通じて、騒音や音楽の中の異なる周波数や音色の音を区別することです。

ヘルムホルツ共鳴器の本来の形状は、細い首または小さな口を持つ容器です。環境中の音によって空気が乱れ、空気の弾性変形によって圧力変化が生じ、容器の細い首や小口にある空気柱が前後に動きます。この連続的な振動プロセスによって音が生成されます。巻貝とヘルムホルツ共鳴器はどちらも口が小さく空洞が大きく、音を出す原理は同じです。ある意味、巻貝は自然界における生放送の「専門家」とみなすことができます。環境騒音をフィルタリングするだけでなく、音を増幅する効果もあります。

ヘルムホルツ共鳴器の概略図。画像提供：中国科学院音響研究所

ほら貝の「海」を聞くことから古代の音響応用まで

音の共鳴の原理は古代中国で応用されてきました。

戦国時代の初めには、すでに『墨子北学』に、城壁の下に一定の間隔で深い井戸を掘り、腹が大きく口が小さい壺を埋め、壺の口を薄い革で覆い、井戸に入れるという、軍事防衛のための共鳴器の使用が記録されている。聴覚に敏感な者を壺の口に寝かせて音を聞き、敵のトンネルの方向を判断してから反撃します。都市を防衛するのに適したこの装置は、「翁庭」または「地庭」と呼ばれます。

「音を助けるために壺を置く」ことに関しては、山西省汾陽市石塔村の龍天寺の古代舞台が良い例です。両側の破風には大中小の3種類の陶器の壺が左右対称に計14個埋め込まれており、壺の口を互いに向けることで音響効果を高めている。

山西省汾陽市石塔村の龍天寺の古代舞台の破風には、14個の陶器の壺が埋め込まれている。画像出典: 文書3

古代では、行軍や戦闘中に持ち運びやすいように、「地上聴音」のデザインは軽量で実用的なものになる傾向がありました。唐代、李全は『太白陰経・有益地丁片』の中で「孔葦魯」と呼ばれる一種の空洞枕を記録した。彼はこう書いている。「睡眠時間が短い者を選び、中空の Hulu 枕で眠らせなさい。人や馬が 30 マイルも離れたところを走っているとき、Hulu には東、西、南、北からの音が聞こえるでしょう。これを「ディティング」と呼びます。」

北宋時代の沈括の『孟熙備譚・指南』には、この種の警戒枕の材質と一般的な形状について次のように記されている。「古来の方法によれば、牛皮を矢筒に使い、横になるときに枕として使う。内部の空洞部分を使って矢筒を作り、それを枕として地面に置く。数マイル以内に人や馬の音が聞こえれば、すべて聞こえる。これは空洞部分が音を吸収できるからだ。」この「地上聴音器」は牛革で作られた矢筒です。軍隊が行軍中に休憩するときに、枕として地面に置かれます。中が空洞なので「音を吸収」できます。

想像してみてください。古代の兵士たちが野営したり休憩したりしているとき、彼らはこれらの魔法の道具を使って何十マイルも離れたところから敵の行進の動きを聞き、それに応じた対抗策を講じることができたのです。古代人は本当に賢かった！

古代の音響の知識を応用する創意工夫は称賛に値します。科学の種は太古の昔から人々の心に蒔かれ、古代の歴史書の中で科学の花が咲き誇っていました。現代では、医療用の聴診器、ピアノ、バイオリン、ギターなどの楽器の共鳴箱、電子レンジ、建築用の発振器など、共鳴現象は社会生活のあらゆる場面で広く利用されています。

耳のそばに巻貝を置くと、周囲の騒音が聞こえ、巻貝は周囲の騒音のフィルターおよび増幅器として機能します。

つまり、私たちがホラ貝から聞くのは、海の音だけではなく、自然の音なのです。

参考文献:

[1] 馬大有ヘルムホルツ共鳴器の開発[J]。物理学、1993(08):452-456.

[2] 楊楊、高策「音を助けるために瓶を設置する」をめぐる論争：科学史上の事例 [N]光明日報、2016-04-06(T14)

[3] 楊洋、高策、丁紅。山西省石塔村龍天寺古代舞台に設置された陶器壷の音響技術[J]。自然科学史ジャーナル、2014年、33(01):70-82。

制作 |科学普及中国

著者: 王麗娜、楊富鑫 (中国科学院音響研究所水中環境情報知覚研究室)

プロデューサー｜中国科学博覧会

提出者: 中国科学院コンピュータ情報ネットワークセンター

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